Operacinio stiprintuvo integratoriaus grandinė: konstrukcija, darbas ir taikymas

„Op-amp“ arba „Operational Amplifier“ yra analoginės elektronikos pagrindas. Iš daugelio programų, tokių kaip „Summing Amplifier“, „diferencialinis stiprintuvas“, „Instrumentation Amplifier“, „ Op-Amp“ taip pat gali būti naudojamas kaip integratorius, kuris yra labai naudinga grandinė analoginėje programoje.

Paprastose „Op-Amp“ programose išvestis yra proporcinga įėjimo amplitudei. Bet kai op-amp yra sukonfigūruotas kaip integratorius, atsižvelgiama ir į įvesties signalo trukmę. Todėl op-amp pagrindu veikiantis integratorius gali atlikti matematinę integraciją laiko atžvilgiu. Integratorius gamina per op-amp, kuris yra tiesiogiai proporcingas įėjimo įtampa integralas yra išėjimo įtampa; todėl išėjimas priklauso nuo įėjimo įtampos per tam tikrą laiką.

Op-amp integratoriaus grandinės statyba ir darbas

„Op-amp“ yra labai plačiai naudojamas elektronikos komponentas ir naudojamas kuriant daug naudingų stiprintuvų grandinių.

Norint sukurti paprastą „Integrator“ grandinę naudojant op-amp, reikia dviejų pasyviųjų komponentų ir vieno aktyviojo komponento. Du pasyvūs komponentai yra rezistorius ir kondensatorius. Rezistorius ir kondensatorius sudaro pirmojo laipsnio žemo dažnio filtrą per aktyvųjį komponentą „Op-Amp“. Integratoriaus grandinė yra visiškai priešinga Op-amp diferencialo grandinei.

Paprastą „Op-amp“ konfigūraciją sudaro du rezistoriai, kurie sukuria grįžtamąjį ryšį. „Integrator“ stiprintuvo atveju grįžtamojo ryšio rezistorius keičiamas kondensatoriumi.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta pagrindinė integratoriaus grandinė su trimis paprastais komponentais. Rezistorius R1 ir kondensatorius C1 yra prijungti per stiprintuvą. Stiprintuvo konfigūracija yra inversija.

Op-amp stiprinimas yra begalinis, todėl inverterio stiprintuvo įvestis yra virtuali žemė. Kai įtampa taikoma R1, srovė pradeda tekėti per rezistorių, nes kondensatorius turi labai mažą varžą. Kondensatorius yra prijungtas grįžtamojo ryšio padėtyje, o kondensatoriaus varža yra nereikšminga.

Esant tokiai situacijai, jei apskaičiuojamas stiprintuvo stiprinimo koeficientas, rezultatas bus mažesnis už vienybę. Taip yra todėl, kad padidėjimo koeficientas X _C / R ₁ yra per mažas. Praktiškai kondensatorius turi labai mažą pasipriešinimą tarp plokščių ir nepriklausomai nuo to, kokia reikšmė yra R1, X _C / R ₁ išėjimo rezultatas bus labai mažas.

Kondensatorius ima krautis įėjimo įtampa ir tuo pačiu santykiu pradeda didėti ir kondensatoriaus varža. Įkrovimo greitis nustatomas pagal R1 ir C1 RC laiko konstantą. Dabar trukdo op-amp virtualioji žemė, o neigiamas grįžtamasis ryšys sukurs išėjimo įtampą visame op-amp, kad būtų palaikoma virtualios žemės būklė visame įėjime.

Op-amp sukuria rampos išėjimą, kol kondensatorius bus visiškai įkrautas. Kondensatoriaus įkrovos srovė sumažėja dėl potencialių skirtumų tarp virtualios žemės ir neigiamos galios įtakos.

Op-amp integratoriaus grandinės išėjimo įtampos apskaičiavimas

Visą aukščiau paaiškintą mechanizmą galima apibūdinti naudojant matematinį formavimą.

Pažiūrėkime aukščiau esantį vaizdą. IR1 yra srovė, tekanti per rezistorių. G yra virtuali žemė. Ic1 yra srovė, tekanti per kondensatorių.

Jei dabartinis Kirchhoffo įstatymas bus taikomas sankryžoje G, kuri yra virtuali žemė, iR1 bus srovės, įeinančios į invertuojančią gnybtą („Op-amp“ 2 kaištis), ir srovės, einančios per kondensatorių C1, suma.

iR ₁ = i _{invertuojantis terminalas} + iC ₁

Kadangi op-amp yra idealus op-amp, o G mazgas yra virtualus įžeminimas, srovė pro op-amp invertuojantį terminalą neteka. Todėl aš _{apverčiu terminalą} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondensatorius C1 turi įtampos ir srovės santykį. Formulė yra -

I _C = C (dV _C / dt)

Dabar pritaikykime šią formulę praktiniame scenarijuje.

Pagrindinė „Integrator“ grandinė, kuri parodyta anksčiau, turi trūkumų. Kondensatorius blokuoja nuolatinę srovę ir dėl to Op-Amp grandinės nuolatinės srovės stiprinimas tampa begalinis. Todėl bet kokia nuolatinė įtampa esant „Op-amp“ įėjimui, prisotina „Op-amp“ išvestį. Norint įveikti šią problemą, lygiagrečiai kondensatoriui galima pridėti varžą. Rezistorius riboja grandinės nuolatinės srovės stiprinimą.

„Op-Amp in Integrator“ konfigūracija suteikia skirtingą išėjimą kitokio tipo kintančiu įvesties signalu. „Integrator“ stiprintuvo išvesties elgesys kiekvienu sinusinės, kvadratinės ar trikampės įvesties atveju yra skirtingas.

„Op-amp Integrator“ elgsena kvadratinės bangos įvestyje

Jei kvadratinė banga pateikiama kaip įvestis į „Integrator“ stiprintuvą, pagaminta trikampė arba pjūklo dantų banga. Tokiu atveju grandinė vadinama „ Ramp“ generatoriumi. Kvadratinėse bangose įtampos lygiai keičiasi iš žemos į aukštą arba aukštą į žemą, todėl kondensatorius įkraunamas arba iškraunamas.

Teigiamo kvadratinės bangos smailės metu srovė pradeda tekėti per rezistorių, o kitame etape srovė teka per kondensatorių. Kadangi srovė per op-amp yra lygi nuliui, kondensatorius įkraunamas. Negatyvus kvadratinių bangų įėjimo pikas įvyks atvirkščiai. Esant dideliam dažniui, kondensatorius gauna labai mažai laiko, kol jis visiškai įkraunamas.

Įkrovimo ir iškrovimo norma priklauso nuo rezistorius kondensatorius kartu. Norint tobulai integruoti, įvesties kvadratinės bangos dažnis arba periodinis laikas turi būti mažesnis nei grandinės laiko konstanta, vadinama: T turėtų būti mažesnė arba lygi CR (T <= CR).

Kvadratinių bangų generatoriaus grandinę galima naudoti kvadratinėms bangoms gaminti.

„Op-amp Integrator“ elgsena sinusinės bangos įvestyje

Jei į op-amp pagrįstą integratoriaus grandinę įeina sinusinė banga, integratoriaus konfigūracijos op-amp stiprina išėjimo fazinę sinusinę bangą 90 laipsnių kampu. Tai vadinama kosinuso banga. Esant tokiai situacijai, kai įėjimas yra sinusinė banga, integratoriaus grandinė veikia kaip aktyvus žemo dažnio filtras.

Kaip jau buvo aptarta anksčiau, žemo dažnio arba nuolatinės srovės kondensatorius sukuria blokavimo srovę, kuri galiausiai sumažina grįžtamąjį ryšį, o išėjimo įtampa prisotinama. Tokiu atveju rezistorius yra sujungtas lygiagrečiai su kondensatoriumi. Šis pridėtas rezistorius suteikia grįžtamąjį ryšį.

Ankstesniame paveikslėlyje papildomas rezistorius R2 yra sujungtas lygiagrečiai su kondensatoriumi C1. Išėjimo sinusinė banga yra ne fazės 90 laipsnių kampu.

Kontūro kampinis dažnis bus

Fc = 1 / 2πCR2

Ir bendrą nuolatinės srovės padidėjimą galima apskaičiuoti naudojant -

Pelnas = -R2 / R1

Sinusinių bangų generatoriaus grandinė gali būti naudojama sinuso bangoms generuoti integratoriaus įėjimui.

„Op-amp Integrator“ elgsena trikampio bangos įvestyje

Trikampio bangos įvestyje op-amp vėl sukuria sinusinę bangą. Kadangi stiprintuvas veikia kaip žemo dažnio filtras, aukšto dažnio harmonikos labai sumažėja. Išėjimo sinusinė banga susideda tik iš žemo dažnio harmonikų, o išėjimo valia yra mažos amplitudės.

„Op-amp Integrator“ programos

„Integrator“ yra svarbi prietaisų dalis ir naudojama „Ramp“ generavimui.
Funkcijų generatoriuje trikampio bangai sukurti naudojama integratoriaus grandinė.
Integratorius naudojamas bangų formavimo grandinėje, pavyzdžiui, kitokio tipo įkrovos stiprintuve.
Jis naudojamas analoginiuose kompiuteriuose, kur integraciją reikia atlikti naudojant analoginę grandinę.
Integratoriaus grandinė taip pat plačiai naudojama analogiškai skaitmeniniam keitikliui.
Skirtingi jutikliai taip pat naudoja integratorių naudingiems rezultatams atkurti.